摘 要：在機械手執(zhí)行任務的過程中，控制機械手定位到目標位置是一個非常關(guān)鍵的問題。本文提出了一種基于雙目立體視覺的機械手自動定位系統(tǒng)設(shè)計方法，由雙目立體視覺系統(tǒng)根據(jù)目標物的二維圖像計算出目標物的三維坐標，然后根據(jù)此三維坐標去控制機械手自動運動到目標位置。實驗表明該系統(tǒng)能提高排爆機器人機械手的易操作性，大大提高了機械手的性能。
關(guān)鍵詞：雙目立體視覺，標定，運動控制
機器人技術(shù)是涉及機械學、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)， 既是光機電一體化的重要基礎(chǔ)， 又是光機電一體化技術(shù)的典型代表， 它是多學科科技革命的必然結(jié)果。 近年來， 隨著機器人研究的不斷發(fā)展， 機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透， 結(jié)合這些領(lǐng)域的應用特點， 各種各樣的具有不同功能的機器人被研制出來，并且在不同的應用領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。例如，美國Wolstenholme 機器公司生產(chǎn)的MR5和MR7排爆機器人，能用于戶內(nèi)及戶外環(huán)境、適應各種地形活動，完成排爆功能，已被美國軍方廣泛使用。 排爆機器人是特種機器人的一種，主要用于在事發(fā)現(xiàn)場排除處理爆炸物及其他危險物品。 排爆機器人的多功能機械手，作為排爆機器人的完成抓取任務的主要執(zhí)行器，應能完成包括抓取爆炸物在內(nèi)的一系列任務，對于排爆機器人來講尤為重要。 排爆是一個充滿變化而復雜的過程，在排爆機器人執(zhí)行任務的過程中， 最關(guān)鍵的一步就是控制機器人的多功能機械手去抓取目標物，即控制機械手精確的定位到目標物位置，完成抓取動作。 目前世界上已投入使用的排爆機器人，在工作方式上， 都需要一個經(jīng)驗豐富的操作員，對機械手進行遠程手動控制，達到機械手精確定位的目的。這種工作方式，一方面對操作員的要求非常高，另一方面，手動控制也很難達到很高的精度。因此，若能通過計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)機械手的自動精確定位，而不需要去手動控制機械手的各個關(guān)節(jié)，將會在很大程度上提高排爆機器人的性能。
本文詳細描述了基于雙目立體視覺的排爆機器人的多功能機械手自動定位系統(tǒng)的設(shè)計。
該系統(tǒng)首先由雙目立體視覺技術(shù)計算出目標物在視覺坐標系中的三維坐標， 并將該坐標轉(zhuǎn)換到機器人坐標系， 然后根據(jù)該坐標控制機械手實現(xiàn)自動定位。本文對該機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙目立體視覺子系統(tǒng)進行了詳細的描述。最后進行了實際的抓取實驗，取得了良好的實驗效果。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該排爆機器人的主要功能部件為一輛能被遠程操控的運動小車和一個多關(guān)節(jié)多功能機械手。該機器人的裝配示意圖見圖1所示。
圖1 系統(tǒng)裝配示意圖
在排爆機器人執(zhí)行任務的過程中，該小車將會被遙控到危險物所在的環(huán)境中，使危險目標物處于機械手的工作空間中，機械手便可以開始工作，完成抓取目標的任務。該機械手的設(shè)計仿照人類手臂的構(gòu)造，總共有六個自由度，包括腰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，肩轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，肘轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手爪開閉關(guān)節(jié)。這種多自由度的設(shè)計使得機械手具有較大的靈活度，以適應復雜的工作環(huán)境的要求。
兩個攝像頭被安裝在機械手小臂上，用來充當雙目立體視覺系統(tǒng)的雙目。為實現(xiàn)機械手目標自動定位的功能，除了在現(xiàn)場工作的該機器人本體之外，還需要一臺不在現(xiàn)場的后臺計算機進行支持。兩攝像頭將攝取的目標物的圖像傳遞到后臺計算機，后臺計算機上的立體視覺子系統(tǒng)通過該兩幅二維圖像，計算出目標物在攝像頭坐標系中的三維坐標，將其轉(zhuǎn)換為在機器人坐標系中的三維坐標，并將其傳給機器人本體上的嵌入式計算機，并由該嵌入式計算機完成手臂的運動控制，控制手臂運動到目標物位置，從而實現(xiàn)自動目標定位的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)裝配示意圖
2、雙目立體視覺子系統(tǒng)
雙目立體視覺是指用兩臺性能相當、位置固定的CCD攝像機， 獲取同一景物的兩幅圖像，通過兩個攝像頭所獲取的二維圖像，來計算出景物的三維信息。在原理上比較類似人類的雙目視覺。組建一個完整的雙目立體視覺系統(tǒng)一般需要經(jīng)過攝像機標定，圖像匹配，深度計算等步驟。
2.1 攝像機標定
在攝像機成像過程中，物體成像在圖像上的位置與空間中該物體表面相應點的幾何位置有關(guān)，這些位置的相互關(guān)系，由攝像槍成像幾何模型所決定，該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機參數(shù)。這些參數(shù)必須由試驗和計算決定，試驗和計算的過程稱為攝像槍標定。一般，攝像機的成像模型可用以下函數(shù)關(guān)系來描述：
其中Ileft，Iright， 分別為目標的左，右圖像坐標，Cleft，Cright則為目標分別在左攝像機坐標系和右攝像機坐標系中的三維坐標，而函數(shù)Hleft與Hright則代表了左攝像機和右攝像機的成像模型。利用張氏平面法可以方便的對Hleft與Hright進行估計。
在分別對左右攝像頭進行標定后，還需對該雙目立體視覺系統(tǒng)進行立體標定，目標是得到兩攝像頭之間的相對位置關(guān)系，由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T來描述。
若得到多個空間點的Cleft，Cright數(shù)據(jù)，則可以通過最小二乘法得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T的估計值。
該雙目立體視覺系統(tǒng)標定結(jié)果如圖3所示。
圖3 標定結(jié)果
2.2 深度計算
當進行了單攝像頭標定和立體標定之后，該雙目立體視覺系統(tǒng)的模型被建立起來，兩攝像頭的二維圖像坐標與空間三維坐標之間有以下關(guān)系：
若得到空間任一點分別在兩攝像頭成像中的圖像坐標Ileft，Iright，則可以通過解上述方程得到該空間點在左攝像機坐標系中的三維坐標Cleft，同理，也可得到其在右攝像機坐標系中的三維坐標Cright。同一點的兩圖像坐標則由圖像匹配過程獲得。
3、嵌入式控制子系統(tǒng)
位于機器人本體上的嵌入式計算機用于對機械手進行控制。包括手臂的整體運動規(guī)劃與各關(guān)節(jié)
直流電機的位置控制。當嵌入式計算機收到后臺計算機發(fā)來的目標物的三維坐標后，便會根據(jù)該三維坐標對手臂各關(guān)節(jié)的運動進行規(guī)劃，并實施底層的電機位置控制。如圖4所示。
圖4 嵌入式控制子系統(tǒng)
該嵌入式控制系統(tǒng)硬件上采用了PC104嵌入式計算機，軟件上采用The Mathworks 公司的xPC內(nèi)核。
4、實驗結(jié)果
將一目標物置于機械手的工作范圍內(nèi)，利用本系統(tǒng)實施自動抓取實驗。在實驗過程中，先手動控制機械手各個關(guān)節(jié)，使得可以通過兩攝像頭觀察到目標物，然后啟動雙目立體視覺系統(tǒng)，通過兩攝像頭所攝得的目標物的圖像計算目標物的三維坐標，再將三維坐標傳給機器人本體上的嵌入式計算機，由其控制手臂自動定位到目標物位置，實施抓取。實驗數(shù)據(jù)如右表所示，實驗表明，該系統(tǒng)可以獲得較高的定位精度。
5 結(jié)論
目前投入使用的排爆機器人在實際排爆過程中都需要對機械手的各關(guān)節(jié)實施手動控制，以完成目標定位，進而抓取目標的功能。這種操作方式一方面對操作員的要求非常搞，另一方面也很難達到較高的定位精度。基于雙目立體視覺技術(shù)來實現(xiàn)機械手的自動定位控制，則可以克服傳統(tǒng)的手動操作方式的缺點，提高排爆機器人的性能與易操作性。
本文作者創(chuàng)新點：
通過雙目立體視覺技術(shù)來實現(xiàn)機械手的自動定位控制，即利用兩攝像頭拍攝的目標物的二維圖像坐標，計算出目標物的三維坐標，然后根據(jù)根據(jù)此三維坐標對機械手的個關(guān)節(jié)實施控制，達到自動定位的目的。該方式提高了排爆機器人的易操作性和精確程度，提高了排爆機器人的性能，有望在實戰(zhàn)中獲得應用。
參考文獻：
[1] 許永錫，等. 基于MatlabRTW的排爆機器人控制系統(tǒng). 微計算機信息，2006，2-2：218-220.
[2] 劉水，趙群飛等. 基于PLC的防暴機器人控制系統(tǒng)設(shè)計. 計算機工程于應用 2002，31（1），22-24
[3] 劉艷玉，李德良，張飛龍，王長龍. ADS7852在雙目測距中的應用. 微計算機信息，2006，4-2: 200-202
[4] 陳錫愛，黃孝明，徐方. 基于眼固定安裝方式的機器人定位系統(tǒng). 微計算機信息 2006，3-2: 182-184
[5] 劉江華，陳佳品，程君實. 雙目視覺平臺的研究[J]. 機器人技術(shù)與應用 ，2002，（01）
